盧德勛：營(yíng)養(yǎng)生理平衡和營(yíng)養(yǎng)調(diào)控整合理論的研究

畜牧ing

                        系統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)理論和技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略課題之一：

深入開(kāi)展?fàn)I養(yǎng)生理平衡和營(yíng)養(yǎng)調(diào)控整合理論的研究

　　如上所述，機(jī)體內(nèi)部存在的滲透平衡、氧化狀況平衡、酸堿平衡又稱(chēng)營(yíng)養(yǎng)生理平衡。該三項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)生理平衡是筆者提出的系統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)理論的三大核心理念中營(yíng)養(yǎng)素平衡理念的延伸和擴(kuò)展。它們是營(yíng)養(yǎng)代謝得以正常運(yùn)作和代謝產(chǎn)物合理管控及利用的根本保障，與機(jī)體自我營(yíng)養(yǎng)調(diào)控功能正常發(fā)揮有著十分密切的關(guān)系，也是設(shè)計(jì)并實(shí)施營(yíng)養(yǎng)工程技術(shù)重要的理論依據(jù)。

　　（1）滲透平衡

　　動(dòng)物體內(nèi)的體液2/3分布于細(xì)胞內(nèi)，故稱(chēng)細(xì)胞內(nèi)液(ICF)，其余1/3分布于細(xì)胞外，故稱(chēng)細(xì)胞外液(ECF)。細(xì)胞外液中約3/4分布于細(xì)胞間隙內(nèi)，稱(chēng)為組織間液(interstitial fluid，ISF）或組織液；其余約1/4則在血管中不斷地循環(huán)流動(dòng)，即為血漿，此外還有少量的淋巴液和腦脊液。動(dòng)物體內(nèi)各部分體液彼此隔開(kāi)，因而它們的成分有較大差別，但各部分體液又相互溝通。已知，動(dòng)物機(jī)體的所有細(xì)胞必須通過(guò)圍繞在其周?chē)?ECF獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和鰩并將代謝廢物排到 ECF,釋放細(xì)胞分泌的化學(xué)信使和消化酶。在 ECF和 ICF之間通過(guò)血漿膜轉(zhuǎn)運(yùn)各種物質(zhì)是細(xì)胞生存的必要條件。而動(dòng)物只有精準(zhǔn)調(diào)節(jié)細(xì)胞外液的組成成分保持穩(wěn)態(tài)，才能維持生命必需的相互交換得以正常進(jìn)行。細(xì)胞外液內(nèi)這些溶質(zhì)濃度決定滲透壓大小，而細(xì)胞外液內(nèi)這些溶質(zhì)濃度、單個(gè)溶質(zhì)濃度和體液的總?cè)莘e是3個(gè)必須加以調(diào)控的重要方面。調(diào)控這3個(gè)方面僅靠一個(gè)器官是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必須有數(shù)個(gè)器官子系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控才能完成。與體液整體調(diào)控有關(guān)的3個(gè)調(diào)控點(diǎn)是：滲透平衡、體液總?cè)莘e穩(wěn)態(tài)和酸-堿平衡。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)有兩個(gè)因素調(diào)控維持體液平衡，即ECF容積和ECF摩爾滲透壓濃度。盡管這兩方面調(diào)控相互之間密切相關(guān)，均與體內(nèi)相對(duì)的NaCl和H2O負(fù)荷。而且這兩方面密切相關(guān)的調(diào)控卻顯著不同：ECF摩爾滲透壓濃度大小調(diào)控關(guān)系著防止細(xì)胞體積膨脹或縮小，在這個(gè)過(guò)程中維持水和鹽類(lèi)平衡甚為重要。ECF容積必須加以密切調(diào)控，以有助于血壓的維持。這一過(guò)程的調(diào)控對(duì)于維持水和鹽類(lèi)平衡同樣重要，相比之下對(duì)于長(zhǎng)期性調(diào)控，鹽類(lèi)平衡更為重要。在體液中一些最重要的離子必須嚴(yán)密地加以調(diào)節(jié)，這些離子包括陽(yáng)離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+；陰離子Cl—，CO32-和HCO3—和PO3—。水分子可以通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散通過(guò)細(xì)胞膜；而電解質(zhì)的離子需要借助易化擴(kuò)散（facilitated diffusion）和活性轉(zhuǎn)運(yùn)（active transport）來(lái)通過(guò)細(xì)胞膜。易化擴(kuò)散需要以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的通道（ protein-based channels）來(lái)轉(zhuǎn)運(yùn)溶質(zhì)。活性轉(zhuǎn)運(yùn)需要能量、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（carrier proteins），或者泵來(lái)克服離子濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)離子。

　　所有的動(dòng)物細(xì)胞都會(huì)面臨一個(gè)問(wèn)題，即由于 ECF和 ICF內(nèi)Na+濃度的不同致使細(xì)胞體積膨脹。這是因?yàn)?ECF內(nèi)的Na+都會(huì)形成內(nèi)向的電子和化學(xué)梯度，從而使Na+滲入細(xì)胞內(nèi)，提升了溶質(zhì)濃度，進(jìn)而使?jié)B透壓升高，使水分進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。只有 Na+ / K+ ATP酶泵才可能使這種狀況得以糾正。通過(guò)這一機(jī)制使 Na+比K+ 向細(xì)胞外移出去的要多，每泵出去3個(gè)Na+就可以有2個(gè)K+移入替換，這樣一來(lái)不僅維持了細(xì)胞內(nèi)部離子平衡，而且也降低了整個(gè)細(xì)胞的滲透壓。

　　血漿是唯一能直接調(diào)節(jié)自己的容積和組成的體液。而血漿容積和組成的改變勢(shì)必直接影響到與細(xì)胞直接接觸的組織液的容積和組成變化。調(diào)節(jié)血漿的機(jī)制都會(huì)調(diào)節(jié)整個(gè) ECF。反過(guò)來(lái) ECF的改變也會(huì)通過(guò)改變細(xì)胞膜的通透性影響到 ICF。

　　通長(zhǎng)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)滲透壓平衡出現(xiàn)紊亂有以下幾種情況：

　　—— 通過(guò)呼吸、出汗和蒸騰作用（ transpiration）將體內(nèi)水分蒸發(fā)到空氣中；

　　—— 飲水量不當(dāng)或攝入的介質(zhì)種類(lèi)與機(jī)體需求不相符時(shí)；

　　—— 當(dāng)機(jī)體處于冷凍狀態(tài)下，使機(jī)體內(nèi)一部分水分在冰的結(jié)晶里，將離子濃縮在殘余的未結(jié)晶的水內(nèi)時(shí)；

　　—— 機(jī)體處于病理狀況下（如患糖尿病時(shí)ECF滲透壓增高由于葡萄糖水平過(guò)高和囊性纖維化致使鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)受阻）或由于大量飲水導(dǎo)致血鈉過(guò)低。

　　面對(duì)滲透壓平衡紊亂，生物進(jìn)化形成兩種應(yīng)對(duì)策略：一是變滲動(dòng)物（osmoconformers）：當(dāng)它們耐受外界鹽類(lèi)濃度的變化而生存時(shí)，隨著外部的變化其體液濃度也發(fā)生變化，這種動(dòng)物稱(chēng)為滲透適應(yīng)型動(dòng)物。其體液與介質(zhì)經(jīng)常是等滲透性的。其中多數(shù)是變滲性動(dòng)物，或多或少地能耐受鹽類(lèi)濃度的變化。二是調(diào)滲動(dòng)物（osmoregulators）：它們體液的滲透壓能經(jīng)受穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，相對(duì)比較穩(wěn)定，通常體液與外界環(huán)境滲透壓很不相同。

　　調(diào)滲動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞通常不會(huì)出現(xiàn)容積增大或縮小的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵贓CF內(nèi)非穿透性溶質(zhì)的濃度能精確地被調(diào)節(jié)。哺乳動(dòng)物主要是由腎臟來(lái)完成這一功能，從而使絕大多數(shù)細(xì)胞中摩爾滲透壓濃度維持在同一水平上（約為300 mOsm）。

　　生物機(jī)體需要不斷地通過(guò)攝人食物和水并通過(guò)排汗、排尿和排糞與環(huán)境交換水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。如果缺乏調(diào)節(jié)滲透壓的機(jī)制或因患病傷害了這一機(jī)制，體內(nèi)就會(huì)積累有毒有害物質(zhì)和水分，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。滲透壓調(diào)節(jié)和滲透平衡是維持包括營(yíng)養(yǎng)代謝在內(nèi)所有代謝活動(dòng)正常進(jìn)行根本條件，也是營(yíng)養(yǎng)代謝穩(wěn)恒控制的不可或缺的最重要的生命功能之一。在營(yíng)養(yǎng)研究中我們要注意對(duì)動(dòng)物機(jī)體內(nèi)部不同層次的滲透平衡變化的研究。

　　（2）酸堿平衡

　　典型的哺乳動(dòng)物的動(dòng)脈血的正常 pH值為7.45，靜脈血為7.35，平均值是7.4。通常靜脈血的 pH值略比動(dòng)脈血略低一些，這是因?yàn)殪o脈血從組織毛細(xì)管收集的CO2生成 H2CO3時(shí)產(chǎn)生了H+。當(dāng)血液 pH值低于7.35時(shí)，就出現(xiàn)酸中毒；而當(dāng)血液 pH值高于7.45時(shí)，就產(chǎn)生堿中毒。一旦動(dòng)脈血 pH值低于6.8或高于8.0，數(shù)秒內(nèi)動(dòng)物即會(huì)死亡。因?yàn)樵谶@樣的 pH值下，許多細(xì)胞功能無(wú)法進(jìn)行。應(yīng)該指出，上述血液正常 pH值范圍不適用于所有動(dòng)物，特別是變溫動(dòng)物。所以，體液的【H+】必須認(rèn)真加以調(diào)控?！綡+】的變異會(huì)影響神經(jīng)、酶和K+活性。在正常情況下，由于動(dòng)物體內(nèi)持續(xù)不斷進(jìn)行的代謝活動(dòng)，氫離子產(chǎn)生不斷進(jìn)行。特別是在一些病理狀況下，體內(nèi)產(chǎn)酸量會(huì)增大。另外體外來(lái)源的【H+】也不容忽視，比如過(guò)量大氣中 CO2形成的碳酸和易產(chǎn)酸的藥物等等。

　　動(dòng)物機(jī)體抵御體內(nèi)【H+】濃度變化有3種途徑：

　　——通過(guò)體液化學(xué)緩沖系統(tǒng)：這一調(diào)節(jié)機(jī)制作用快，為第一道防線，數(shù)量有限，不持久，不徹底。

　　——借助 pH控制的呼吸器官調(diào)節(jié)機(jī)制：該機(jī)制迅速、幅度大，為第二道防線。

　　——借助 pH控制的腎功能性調(diào)節(jié)機(jī)制：該機(jī)制作用強(qiáng)、持久、徹底；但緩慢。

　　檢測(cè)動(dòng)物體內(nèi)酸一堿平衡的指標(biāo)有血液【H+】濃度和pH值、標(biāo)準(zhǔn)碳酸氫鹽(standard bicarbonate，SB）與實(shí)際碳酸氫鹽（actual bicarbonate，AB）、緩沖堿（ buffer base，BB）、剩余堿（ base excess，BE）、二氧化碳分壓（PCO2或Paco2）、二氧化碳結(jié)合力（CO2-CP）和陰離子間隙（anion gap，AG）等7種。

　　（3）氧化狀況平衡

　　氧對(duì)維持機(jī)體生命活動(dòng)十分重要。所謂氧化狀況平衡是指促氧化能力與抗氧化能力之間的平衡當(dāng)氧自由基產(chǎn)生過(guò)多或清除不足，氧化狀況平衡失衡時(shí)就能引起細(xì)胞的氧化損傷所謂自由基是指外層軌道上具有不配對(duì)電子的原子、原子團(tuán)或分子，如氫自由基（H.）、氫氧自由基(OH.)、超氧化物自由基（O2-）。氧自由基既是氧化劑，又是還原劑，極易與組織細(xì)胞成分中的電子結(jié)合，以達(dá)到穩(wěn)定的配對(duì)電子狀態(tài)，并且當(dāng)自由基與非自由基物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，往往形成新的自由基而發(fā)生連鎖性、增殖性反應(yīng)。自由基對(duì)細(xì)胞成分包括脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA的損傷表現(xiàn)為：脂質(zhì)過(guò)氧化導(dǎo)致生物膜脂質(zhì)不斷破壞；蛋白質(zhì)氧化損傷表現(xiàn)為蛋白質(zhì)的凝集與交聯(lián)和蛋白質(zhì)降解與斷裂，引起酶活性、生物膜和細(xì)胞功能、代謝及結(jié)構(gòu)異常變化；DNA氧化損傷主要表現(xiàn)為鏈斷裂及堿基修飾。

　　氧化應(yīng)激具有以下特點(diǎn)：

　　—— 氧化應(yīng)激屬于應(yīng)激反應(yīng)的范疇。

　　—— 活性氧是氧化應(yīng)激的應(yīng)激原，屬化學(xué)性應(yīng)激。

　　—— 活性氧常和其它應(yīng)激原交織在一起，形成復(fù)合應(yīng)激原，引起強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)。

　　—— 氧化應(yīng)激具有普通應(yīng)激反應(yīng)的基本屬性即應(yīng)激反應(yīng)的雙重性，損傷與抗損傷同時(shí)存在。也就是說(shuō)在活性氧引起機(jī)體損傷的同時(shí)，機(jī)體也可產(chǎn)生一系列保護(hù)性反應(yīng)來(lái)對(duì)抗損傷性效應(yīng)。氧化應(yīng)激的雙重性還表現(xiàn)在某些條件下表現(xiàn)為損傷性效應(yīng)，在另一些條件下則呈現(xiàn)保護(hù)性效應(yīng)

　　—— 過(guò)去認(rèn)為應(yīng)激主要通過(guò)強(qiáng)烈的、長(zhǎng)時(shí)間的交感-腎上腺髓質(zhì)系統(tǒng)，垂體-腎上腺皮質(zhì)軸興奮，大量?jī)翰璺影?、糖皮質(zhì)激素分泌引起機(jī)體耗竭，造成損傷?，F(xiàn)在研究表明，在應(yīng)激性潰瘍發(fā)病中除上述傳統(tǒng)的發(fā)病因素外，氧化應(yīng)激還是直接造成胃粘膜損傷的重要因素之一。

　　引起氧化應(yīng)激的活性氧可以是體內(nèi)代謝產(chǎn)生的，也可能是由外界環(huán)境而攝人體內(nèi)的。形成氧化應(yīng)激可以是局部器官的，也可以是全身性的引起氧化應(yīng)激的原因是多種多樣的，諸如物理因素、化學(xué)因素和生物因素，而這些原因可通過(guò)多種多樣的反應(yīng)途徑引起氧化應(yīng)激。

　　為了防止氧化損傷動(dòng)物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成完整的抗氧化防御系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由酶性和非酶性成分兩部分組成。（如表1所示）。

表1 動(dòng)物體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)

主要抗氧化酶	主要作用
超氧化物歧化酶	清除O2-
過(guò)氧化氫酶（CAT）	清除O2-
硒谷胱甘肽過(guò)氧化物酶	清除H2O2，有機(jī)過(guò)氧化物
磷脂氫過(guò)氧化物谷肽	清除脂類(lèi)過(guò)氧化物
甘肽過(guò)氧化物酶	清除有機(jī)過(guò)氧化物
主要非酶性抗氧化劑
維生素類(lèi)
谷胱甘肽	清除OH. 、H2O2、O2 ,供氫體
尿酸	O2   OH.
蛋白質(zhì)抗氧化劑
銅藍(lán)蛋白	控制 OH.生成
清蛋白	控制 OH.生成，阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化
VitE	清除O2、O2- 阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)
VitC	清除 O2、OH. 、O2- 阻斷脂質(zhì)過(guò)氧化

　　自由基本身是是機(jī)體正常的代謝產(chǎn)物，并且是維持多種重要的生理功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。它的產(chǎn)生速率、清除途徑在正常情況下受到機(jī)體嚴(yán)格而精確調(diào)控。一旦自由基生成和清除的動(dòng)態(tài)平衡被打破，造成機(jī)體自由基不足（生成不足或/和清除過(guò)多）或自由基過(guò)多（生成過(guò)多或/和清除不足）兩者都會(huì)對(duì)機(jī)體造成應(yīng)激損傷，成為疾病發(fā)生和發(fā)展的重要原因，所以自由基的功能具有雙重性，既有正面功能，也具有負(fù)面功能，關(guān)鍵要看自由基生成和清除平衡狀況如何。如何充分發(fā)揮自由基的正面功能，盡可能抑制其負(fù)面功能直接關(guān)系動(dòng)物的健康和生產(chǎn)性能的潛力的最佳表現(xiàn)。我們往往對(duì)自由基的負(fù)面功能談的較多，給人們印象好像自由基一無(wú)是處。自由基的正面功能表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

　　—— 防御功能。自由基在吞噬細(xì)胞殺滅、清除病源微生物的過(guò)程中能發(fā)揮積極作用，在特定條件下自由基是機(jī)體防御體系中的重要一環(huán)。

　　—— 殺癌作用。機(jī)體多種免疫細(xì)胞具有殺傷腫瘤細(xì)胞的作用，其作用機(jī)制直接或間接都與自由基有關(guān)。

　　—— 解毒作用。在細(xì)胞光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的細(xì)胞色素 P450的作用下，底物與 NADPH和02相互作用，氧被激活從而把1個(gè)原子氧插人底物的分子內(nèi)，底物被氧化。

　　底物（SH）+NADPH+H⁺+0₂————————→SOH+NADP+H20

　　通過(guò)這一反應(yīng)使許多有毒的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生羥化反應(yīng)從而降低了毒性，增加了極性，易于隨膽汁、尿液排出體外。

　　（完）

　　節(jié)選自：盧德勛先生演講稿《系統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)創(chuàng)新和發(fā)展面臨的新形勢(shì)和新任務(wù)》

　　盧德勛 研究員

　　我國(guó)著名的動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家，系統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的創(chuàng)立者，一直致力于系統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的倡立、傳播和發(fā)展。曾擔(dān)任中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)分會(huì)長(zhǎng)、名譽(yù)會(huì)長(zhǎng)。內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)研究所所長(zhǎng)、名譽(yù)所長(zhǎng)，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)兼職教授、博士生導(dǎo)師以及國(guó)家多項(xiàng)重大項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家?，F(xiàn)擔(dān)任《動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào)》主編、國(guó)家重大基礎(chǔ)研究973項(xiàng)目（豬、牛）專(zhuān)家。

      由中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)分會(huì)系統(tǒng)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主辦，內(nèi)蒙古神州動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)發(fā)展戰(zhàn)略研究所和畜牧人網(wǎng)站&金河動(dòng)保網(wǎng)共同承辦的“首屆反芻動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)技術(shù)創(chuàng)新和營(yíng)養(yǎng)師高級(jí)研修班”將于2017年8月9-11日在內(nèi)蒙古呼和浩特市錦和酒店舉行。會(huì)議詳情：點(diǎn)擊進(jìn)入